RESUMO A casca do arroz aparece como um subproduto de grande importância para a geração de energia devido ao seu elevado poder calorífico, assim como as cinzas resultantes do processo de queima que são ricas em sílica. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar os efeitos da incorporação da cinza da casca de arroz e da alumina calcinada nas propriedades físicas e térmicas de cerâmicas refratárias. As matérias-primas foram caracterizadas quanto à composição química pela Fluorescência de Raios-X e composição de fases por Difração de Raios-X. As propriedades físicas investigadas foram porosidade aparente, absorção de água, densidade aparente, retração linear e variação de massa. As propriedades térmicas avaliadas foram resistência ao choque térmico à temperatura de 500 ºC e a condutividade térmica. A cinza da casca de arroz empregada nesta pesquisa confirmou seu potencial como precursor cerâmico no desenvolvimento de refratários silicosos. Após a sinterização observou-se a presença das fases cristobalita, alumina-α, mulita e quartzo. Com a adição de 10 % de cinza de casca de arroz observou-se um aumento da retração linear das cerâmicas. A porosidade aparente, a absorção de água, a condutividade térmica e a resistência ao choque térmico aumentaram com a adição de alumina calcinada, em particular no percentual de 30 %. As modificações nas propriedades podem ser explicadas pelo aumento da porosidade e pelas fases, em especial alumina-α. A resistência ao choque térmico e condutividade térmica apresentaram valores aceitáveis para o uso na indústria siderúrgica.

ABSTRACT The rice husk appears as a by-product of great importance for energy generation due to its high calorific value, as well as the ashes resulting from the burning process which are rich in silica. The main objective of this assignment was to evaluate the effects of the incorporation of rice husk ash and calcined alumina on the physical and thermal properties of refractory ceramics. The raw-materials were characterized in terms of chemical composition by X-Ray Fluorescence, phase composition, by X-Ray Diffraction. The physical properties investigated were apparent porosity, water absorption, bulk density, linear retraction and mass variation. The thermal properties evaluated were thermal shock resistance at 500 ºC and thermal conductivity. The rice husk ash used in this research confirmed its potential as a ceramic precursor in the development of silicate refractories. After sintering, the presence of the cristobalite, alumina-α, mullite and quartz phases was observed. With the addition of 10 % of rice husk ash, there was an increase in the linear retraction of the ceramics. The apparent porosity, water absorption, thermal conductivity and thermal shock resistance increased with the addition of calcined alumina, in particular in the percentage of 30 %. The modifications in properties can be explained by the increase in porosity and the phases, in particular alumina-α. Resistance to thermal shock and thermal conductivity showed acceptable values for use in the steelworks industry.

RESUMO O principal objetivo deste trabalho foi avaliar os efeitos da incorporação de cinza da casca de arroz e microfibras de wollastonita, adicionadas por substituição parcial de argila, nas propriedades físicas e térmicas de compósitos cerâmicos refratários. As matérias-primas foram caracterizadas quanto à composição química (FRX), composição de fases (DRX) e granulometria por laser. Os compósitos foram avaliados pelas propriedades físicas - porosidade aparente, densidade aparente, absorção de água, retração linear após sinterização e variação de massa - e propriedades térmicas - condutividade térmica e choque térmico. A cinza da casca de arroz utilizada no presente trabalho provou ter potencial como precursor cerâmico no desenvolvimento de refratários. A substituição da argila pela cinza e pelos diferentes percentuais de microfibra resultou em um aumento da absorção de água e da porosidade aparente e uma redução na retração linear de queima. O aumento da porosidade sugere que a reação de mulitização foi insuficiente. No que concerne o desempenho térmico, a condutividade térmica foi inversamente proporcional à porosidade e ao percentual de microfibra. Ademais, quanto maior foi o gradiente de temperatura de choque-térmico menor foi o número de ciclos resistidos pelos compósitos.

ABSTRACT The main objective of this work was to evaluate the effects of rice husk ash and wollastonite microfibers incorporation, added per clay partial substituition, on physical and thermal properties of refractory ceramic composites. The raw materials characterization occurred with respect to their chemical composition (XRF), phase composition (XRD) and granulometry by laser. The composites were avaluated by physical properties - apparent porosity, bulk density, water absorption, linear retraction after sinterization and mass variation - and thermal properties - thermal conductivity and thermal shock. The rice husk ash used in the present work proved to have potential as a ceramic precursor in the development of refractories. The clay substitution per ash and the microfiber different percentages resulted in an increase in water absorption and apparent porosity and a reduction in the linear retraction. The increase in porosity suggests that the mullitization was insufficient. Regarding the thermal performance, the thermal conductivity was inversely proportional to the porosity and the microfiber percentage. In addition, the higher the thermal-shock temperature gradient the lower was the number of cycles resisted by the composites.

Dissimilar Al-Cu joints are desirable due to the combination of the good electrical and thermal properties of copper with the economic advantages of aluminium. However, different chemical, mechanical and thermal properties turn dissimilar welding into a challenge with traditional fusion welding techniques. Friction stir welding appears to be a good alternative to welding dissimilar materials. Most of the works in Al-Cu FSW have been performed with Al on top. This work investigates the influence of heat input on the shear strength of aluminium-copper lap joints produced by FSW with a copper over aluminium lap configuration. Welds produced with the ω/ν rate of 200 rev.mm-1 or 500 rev.mm-1 resulted in the melting of the base materials and material leaking. Joints with shear tensile strength varying from 76 to 85% of the original resistance of AA6060 T5 were produced when the ω/ν rate was varied from 80 to 110 rev.mm-1. The fracture was governed by tension overload on the aluminium sheet, resulting in little influence of welding defects, such as tunnelling, on the joint strength.

Neste estudo, um aço TRIP 800 foi soldado através do processo SPFMM usando três diferentes velocidades de rotação da ferramenta, 1600, 2000 e 2400 rpm, e mantendo-se o tempo de mistura fixo em 2s. Foram mostradas as microestruturas resultantes em cada zona formada, assim como a variação de dureza através delas. Maiores valores de dureza foram obtidos na menor velocidade de rotação, 1600 rpm, onde o aporte de energia teoricamente foi menor e, portanto, a taxa de resfriamento foi maior. Porém, nesta velocidade de rotação também houve formação de ferrita alotriomorfa na microestrutura. Nos ensaios de cisalhamento, amostras soldadas nas velocidades de 1600 rpm e 2400 rpm não atingiram o valor de força mínimo recomendado pela norma AWS D8.1M, o que foi atribuído ao menor comprimento da linha de ligação e à menor distância entre a parede do furo deixado pelo pino e a linha de zinco formada na zona de mistura, uma vez que durante a fratura a trinca propaga através desta linha e a microestrutura só possui algum papel no processo de fratura quando ela não existe mais.

A TRIP 800 steel was friction stir spot welded using three different tool rotational speeds, 1600, 2000 and 2400 rpm, and the dwell time was kept constant in 2s. The resultant microstructures formed in each weld zone were analyzed, as well as their hardness. Higher hardness values were observed for the lowest rotational speed, 1600 rpm, where the heat input in theory was lower and, therefore, the cooling rate was faster. However, for this rotational speed allotriomorphic ferrite was also observed in the stir zone. In the lap-shear tests, samples welded at 1600 rpm and 2400 rpm did not reach the minimum value recommended by the AWS D8.1M standard, which was attributed to the lower bonding ligament length and also lower distance between the keyhole left by the pin and the end of the zinc line, which is formed in the stir zone. The fracture of the samples occurred along this line. As a result the influence of the microstructure on the failure process could only be inferred when the zinc line disappeared.

O processo de Soldagem a Ponto por Fricção (FSpW - Friction Spot Welding) caracteriza-se por possibilitar a união no estado sólido de duas ou mais chapas de material sobrepostas sem deixar o furo residual característico do processo FSW. O presente trabalho apresenta os primeiros resultados de estudos visando determinar a resistência mecânica de juntas em ligas de alumínio soldadas por FSpW. Recentemente diversos estudos sobre o modelamento numérico de soldas realizadas por processos de soldagem baseados em fricção têm sido realizados, entretanto a maioria destes estudos está relacionada à física do processo. Alguns trabalhos estabelecem a relação entre as variáveis de processo e as propriedades mecânicas da junta resultante, mas é muito difícil encontrar na literatura resultados quantitativos que possam ser usados diretamente para projeto destas uniões. O presente trabalho objetiva desenvolver um processo de análise baseado nas características do processo que permita avaliar como a geometria e microestrutura das regiões da solda afeta o comportamento mecânico das juntas resultantes. Com este objetivo, os resultados de ensaios mecânicos realizados em juntas de alumínio AA2024-T3 foram usados para validar e calibrar um modelo numérico desenvolvido para prever o modo de falha da união. O modelo numérico reproduz as dimensões e carregamento utilizados nos ensaios de cisalhamento e traçao. As dimensões e propriedades das regiões principais da junta (ZM - zona de mistura, ZTMA - zona termo-mecânicamente afetada, ZAC - zona afetada pelo calor e MB - metal base) foram definidas com base na medição da dureza e análises macrográficas de corpos de prova soldados com diferentes parâmetros. Pode-se comprovar uma ótima correlação entre os resultados obtidos nas simulações e os dados experimentais. O modelamento numérico das juntas pernite a previsão das propriedades mecânicas da junta e auxilia na compreensão da influência da geometria e propriedades de cada região sobre o seu desempenho em serviço. Baseado nos resultados obtidos, o procedimento de análise pode ser facilmente adaptado para o processo de Soldagem a Ponto por Fricção e Mistura Mecânica (FSSW - Friction Stir Spot Welding).

The Friction Spot Welding - FSpW is a solid-state process that allows joining two or more metal sheets in lap configuration with no residual keyhole as occurs in the Friction Stir Welding - FSW process. The present work reports part of the efforts made at GKSS Research Centre to better understand the complex phenomena that take place during FSpW of aluminum alloys and establish the mechanical response of the resulting joints. Over the recent years the research on modeling friction based welding processes has increased considerably. Most of the works related to this subject deal with the process mechanics. On the other hand, some investigations have shown how the process variables affect the mechanical properties of the joints, but it is very difficult to find quantitative results that can be readily used for mechanical design purposes. The aim of this work is to develop an analysis procedure based on the process characteristics that allows evaluating how the resulting geometry and microstructure affect the joint mechanical behavior. For this, the results of the mechanical tests obtained on AA2024-T3 aluminum alloy were used to calibrate and validate a numerical model that was used to predict the joint failure mode. The model reproduced the specimen geometry and load conditions adopted in the lap-shear and cross-tensile tests. The joint was considered as formed by three main regions (SZ - stir zone, TMAZ - thermo mechanically affected zone and HAZ - heat affected zone) whose properties and dimensions were based in microhardness evaluation and macrographic analysis of welded specimens. It was observed a good agreement between the simulation results and experimental data. The numerical modeling of the joints allows the prediction of the joint mechanical properties, as well as to understand how a change in geometry and property of each region affects the final mechanical behavior. Based in the obtained results, the analysis procedure can be easily extended to the related friction based spot processes as Friction Stir Spot Welding - FSSW.